隨鉆核磁共振測井靜磁場溫度特性仿真研究

鮑忠利,于會媛,徐征,徐顯能

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院,河北三河065201;2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,重慶400044)

0 引 言

隨鉆核磁共振測井技術(shù)是評估儲層孔隙度、滲透率和流體類型的有效方法[1]。在隨鉆核磁共振測井系統(tǒng)中,需要將射頻激勵脈沖頻率調(diào)到與目標區(qū)域內(nèi)靜磁場強度相匹配的拉莫爾頻率,進而對目標區(qū)域內(nèi)待測樣品進行測量[2],其中永磁體、射頻磁芯等鐵磁材料用于產(chǎn)生目標區(qū)域內(nèi)所需的靜磁場。當測井現(xiàn)場的環(huán)境溫度變化劇烈時,鐵磁材料的磁疇分布改變,導(dǎo)致其電磁參數(shù)會隨著外界溫度發(fā)生變化,進而影響靜磁場的強度與分布[3],甚至造成實際測量區(qū)域與設(shè)定的目標區(qū)域范圍不一致。因此,進行隨鉆核磁共振測井的靜磁場溫度特性分析具有重要意義。

本文探究隨鉆核磁共振測井探頭中目標區(qū)域靜磁場的溫度特性。首先在現(xiàn)有隨鉆核磁共振測井探頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,給出了永磁體剩磁和矯頑力參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律,并通過有限元仿真分析排除了射頻磁芯對靜磁場溫度特性的影響;為了確保靜磁場強度的有限元仿真結(jié)果可靠性,搭建實驗平臺對隨鉆核磁共振測井探頭靜磁場強度進行了實測對比;通過有限元仿真分析不同溫度下靜磁場變化規(guī)律,在核磁共振射頻場中心頻率不變和可變2種情況下,分別討論了隨鉆核磁共振測井探頭的有效區(qū)域范圍及對應(yīng)靜磁場的分布情況;為了保證不同溫度下實際有效區(qū)域的位置固定,給出了對應(yīng)射頻場頻率調(diào)整策略。有限元仿真結(jié)果為隨鉆核磁共振測井探頭的優(yōu)化設(shè)計與工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。

1 隨鉆核磁共振探頭的基本結(jié)構(gòu)

隨鉆核磁共振測井探頭磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。該磁體系統(tǒng)的永磁體由2個同軸空心圓柱釤鈷磁體組成,且這2個釤鈷磁體沿軸向反向充磁;這2個釤鈷磁體之間為同軸的射頻磁芯,用于調(diào)節(jié)靜磁場的場型;目標區(qū)域為與磁體同軸的圓環(huán)區(qū)域。

圖1 隨鉆核磁共振測井探頭的磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可見,該磁體系統(tǒng)為軸對稱模型,為了提高計算效率,建立二維軸對稱有限元仿真模型(見圖2)。此時目標區(qū)域為矩形,其徑向(R方向)位移為150～225 mm,軸向(Z方向)位移為-35～35 mm。

圖2 隨鉆核磁共振測井磁體系統(tǒng)二維有限元仿真模型

2 環(huán)境溫度對鐵磁材料的影響

2.1 環(huán)境溫度變化對釤鈷磁體的影響

在環(huán)境溫度上升的過程中,鐵磁材料中的磁疇在外部溫度的影響下發(fā)生擾動,導(dǎo)致鐵磁材料磁性能變化[4],且鐵磁材料的種類或成分不同時,溫度對不同鐵磁材料磁性能的影響也不同[5]。因此,當隨鉆核磁共振測井探頭的工作深度與工作環(huán)境改變時,環(huán)境溫度的變化通過改變鐵磁材料的磁疇,對目標區(qū)域的靜磁場強度和分布產(chǎn)生一定的影響。

釤鈷材料具有負的可逆溫度系數(shù),即隨著溫度升高,剩磁和矯頑力等參數(shù)都會降低。剩磁的可逆溫度系數(shù)α的計算公式為

(1)

式中,t為溫度, ℃;Br,t為溫度t下的剩磁,T;Br,25為常溫25 ℃下的剩磁,T。矯頑力的可逆溫度系數(shù)β定義為

(2)

式中,Hb,T為溫度t下的矯頑力,kA/m;Hb,25為常溫25 ℃下的矯頑力,kA/m。不同溫度釤鈷磁體的剩磁、矯頑力實測數(shù)據(jù)的擬合曲線見圖3。

圖3 釤鈷磁體的剩磁、矯頑力隨溫度變化擬合曲線

由圖3可見,隨著溫度升高,釤鈷磁體的剩磁和矯頑力均線性下降。當溫度為25 ℃常溫時,釤鈷磁體剩磁為1.083 T,矯頑力為808.26 kA/m;當溫度升高到125 ℃時,剩磁為1.043 T,降低了0.040 T(相對下降了3.69%),矯頑力為762.23 kA/m,降低了46.03 kA/m(相對下降了5.71%)。因此,在分析靜磁場溫度特性時,必須考慮釤鈷磁體受環(huán)境溫度的影響。

2.2 環(huán)境溫度變化對射頻磁芯的影響

為了盡可能減小環(huán)境溫度變化對目標區(qū)域靜磁場的影響,射頻磁芯需選用受溫度影響較小的材料。由于射頻磁芯的電磁參數(shù)受環(huán)境溫度的影響很小,可通過目標區(qū)域靜磁場強度的變化間接反映溫度對射頻磁芯的影響。將釤鈷磁體的剩磁和矯頑力固定為25 ℃下的值,并結(jié)合不同溫度下射頻磁芯電磁參數(shù),分別在25、50、75、100 ℃和125 ℃下,通過有限元仿真得到圖2中徑向(R方向)位移為165 mm、軸向(Z方向)位移為0處探測點的磁感應(yīng)強度。結(jié)果表明,由25 ℃升溫至125 ℃的過程中,探測點磁感應(yīng)強度相對變化率為0.053 1%,由此可見,射頻磁芯受環(huán)境溫度變化的影響可以忽略。

3 靜磁場溫度特性仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 常溫下目標區(qū)域靜磁場分布

以圖2中徑向(R方向)位移為165 mm、軸向(Z方向)位移為0處作為探測點,探測點的靜磁場強度作為中心磁感應(yīng)強度。根據(jù)拉莫爾公式,以靜磁場強度變化范圍為±0.000 3 T對應(yīng)的射頻線圈頻率變化范圍作為射頻線圈的激勵帶寬,得到靜磁場的有效區(qū)域面積為1 050 mm2(見圖4)。黃色區(qū)域為靜磁場強度滿足閾值要求的有效區(qū)域,藍色區(qū)域為靜磁場強度不滿足閾值要求的無效區(qū)域?？梢钥闯?實際的靜磁場有效區(qū)域為月牙形。

圖4 25 ℃時靜磁場的有效區(qū)域分布圖

為了分析隨鉆核磁共振測井探頭目標區(qū)域的靜磁場溫度特性,采用有限元方法仿真了環(huán)境溫度為25、50、75、100 ℃和125 ℃時探測點的靜磁場強度隨溫度變化關(guān)系。結(jié)果表明,當溫度升高時,探測點的靜磁場強度線性下降;當溫度為25 ℃時,探測點的靜磁場強度為0.013 3 T;當溫度升高到125 ℃時,探測點靜磁場強度為0.012 7 T;當溫度由25 ℃升至125 ℃時,靜磁場強度降低了0.000 6 T,對應(yīng)的拉莫爾頻率下降約25.3 kHz。

3.2 靜磁場實測及對比分析

為了驗證有限元仿真結(jié)果的正確性,利用加熱帶裝置對釤鈷磁體加熱,模擬實際井下的高溫環(huán)境,通過高斯計測量從常溫(25 ℃)到高溫(125 ℃)時探測點的靜磁場強度,實驗平臺示意圖見圖5。

圖5 實驗平臺示意圖

實驗測試時,將高斯計固定在探測點處,由于只需考慮溫度對釤鈷磁體的影響,2個釤鈷磁體均采用條狀加熱帶纏繞加熱,加熱由外入內(nèi),每個磁體外表面放置4枚溫度傳感器,同時在磁體中空處放置1枚溫度傳感器,通過溫度傳感器來判斷釤鈷磁體所處的環(huán)境溫度是否達到要求。測量的主要步驟:①測試常溫?zé)o加熱裝置時探測點的靜磁場強度;②測試常溫放置加熱裝置時探測點的靜磁場強度,此時探測點的靜磁場強度與無加熱裝置時相同,表明加熱裝置本身不會影響探測點的靜磁場強度;③利用加熱裝置將磁體的溫度由25 ℃逐漸加熱到125 ℃,并且每間隔5 ℃記錄探測點的靜磁場強度。測試結(jié)果表明,當溫度從25 ℃升高到125 ℃時,有限元仿真得到的靜磁場強度變化范圍與實測結(jié)果相符,且有限元仿真一次曲線與實測一次曲線的斜率吻合;同時,由于實際磁體加工尺寸誤差以及充磁方向的偏差,導(dǎo)致實測靜磁場強度比有限元仿真整體小0.000 3 T左右。

在分析隨鉆核磁共振測井探頭目標區(qū)域的靜磁場溫度特性時,重點關(guān)注靜磁場隨溫度的相對變化。可以認為,有限元仿真得到的靜磁場隨溫度的相對變化與實測結(jié)果相符。該隨鉆核磁共振測井探頭磁體系統(tǒng)有限元仿真模型的合理性與正確性高,具有實際指導(dǎo)作用。在接下來的實驗中,可利用有限元仿真結(jié)果代替實測結(jié)果,針對核磁共振射頻場中心頻率固定和可變這2種情況,分別討論靜磁場隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。

3.3 射頻中心頻率固定時有效區(qū)域的變化

為了分析隨鉆核磁共振測井探頭在實際測井時有效區(qū)域隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律,將射頻場中心頻率固定為25 ℃時探測點靜磁場強度對應(yīng)的拉莫爾頻率,由于目標區(qū)域的靜磁場強度和分布受環(huán)境溫度的影響,不同溫度時的實際探測點位置必然不同。為了分析實際探測點靜磁場強度隨溫度的變化規(guī)律,分別仿真環(huán)境溫度為25、50、75、100 ℃和125 ℃時實際探測點所在的徑向(R方向)位移,結(jié)果見圖6。由圖6可見,在25 ℃時,實際探測點的徑向(R方向)位移為165 mm;當環(huán)境溫度升高到125 ℃時,探測點的徑向(R方向)位移為151 mm。以實際探測點磁感應(yīng)強度變化±0.000 3 T的范圍作為靜磁場的有效區(qū)域,給出溫度分別為25、75 ℃和125 ℃時的有效區(qū)域分布(見圖7)。

圖6 實際探測點徑向(R方向)位移隨溫度變化規(guī)律

圖7 靜磁場的有效區(qū)域面積隨溫度變化情況

由圖7可見,隨著環(huán)境溫度的升高,雖然靜磁場有效區(qū)域的形狀和大小基本沒有變化,但是實際探測點相對Z軸左移,對應(yīng)有效區(qū)域范圍整體向左移動。表明在實際測井過程中,若在環(huán)境溫度改變時不調(diào)整射頻場的激勵頻率,則實際核磁共振測量區(qū)域會逐漸趨向探頭中心軸,即靠近井壁,最終造成核磁共振信號受井壁鉆井液的干擾,影響核磁共振信號質(zhì)量。因此,隨著環(huán)境溫度的升高,需要調(diào)整對應(yīng)射頻場的激勵頻率。

3.4 探測點位置固定時射頻場頻率的變化

在隨鉆核磁共振測井探頭所處的環(huán)境溫度變化時,為保持實際探測點和靜磁場有效區(qū)域的位置不變,需要調(diào)整對應(yīng)射頻場的中心頻率。為探究不同環(huán)境溫度下射頻場頻率的變化情況,以圖2中徑向(R方向)位移為165 mm,且軸向(Z方向)位移為0處為探測點,且以探測點的磁感應(yīng)強度變化±0.000 3 T的范圍作為有效區(qū)域。分別采用有限元方法仿真了環(huán)境溫度為25、50、75、100 ℃和125 ℃時探測點的磁感應(yīng)強度。根據(jù)拉莫爾公式,在探測點處,射頻場頻率和有效區(qū)域面積隨環(huán)境溫度的變化曲線見圖8。

圖8 射頻場頻率和有效區(qū)域面積隨溫度變化情況

由圖8可見,隨著環(huán)境溫度的升高,為了保持實際探測點位置的固定,射頻場中心頻率在不斷變小。在常溫25 ℃條件下,射頻場中心頻率為566.48 kHz;當溫度升高到125 ℃時,射頻場中心頻率為541.15 kHz,即射頻場中心頻率降低了25.33 kHz。同時,隨著環(huán)境溫度的升高,射頻場中心頻率不斷降低,有效區(qū)域面積呈現(xiàn)略微增大的趨勢。在常溫25 ℃條件下,探測點的靜磁場有效區(qū)域面積為1 050 mm2;當溫度升高到125 ℃時,有效區(qū)域面積為1 096 mm2,即有效區(qū)域面積增大了46 mm2。綜上所述,對于圖1所示的隨鉆核磁共振測井探頭,通過調(diào)整射頻場中心頻率應(yīng)對其所處環(huán)境溫度變化,在測量區(qū)域遠離鉆井液干擾的同時,還能起到增加測量有效區(qū)域面積的作用。

4 結(jié) 論

(1)通過有限元仿真和實測驗證了隨鉆核磁共振測井探頭靜磁場隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律,有限元仿真與實測靜磁場的擬合曲線斜率吻合。由此可認為,研究靜磁場的變化規(guī)律時,本文的有限元仿真模型能夠代替實驗,具有實際指導(dǎo)作用。

(2)若射頻場中心頻率固定,隨著環(huán)境溫度的升高,實際探測點不斷相對Z軸左移,有效探測區(qū)域逐漸靠近井眼,磁共振信號不可避免會受到鉆井液的干擾。若采用調(diào)頻方式,可以保證實際探測點的位置不發(fā)生改變,有效地避免鉆井液對核磁共振信號的干擾,并且能提高有效區(qū)域面積。